海綿城市不同用地類型土壤滲透能力
——以廈門市海滄馬鑾灣試點區(qū)為例

師曉陽，劉淑坡，李 飛，艾慧穎，饒 拉，周真明，苑寶玲

(華僑大學土木工程學院,市政與環(huán)境工程研究所，福建 廈門 361021)

0 引言

我國住房和城鄉(xiāng)建設部2015年發(fā)布試行的《海綿城市建設技術指南》[1]以及仇保興[2]發(fā)表的《海綿城市(LID)的內涵、途徑與展望》均指出海綿城市應遵循“滲、滯、蓄、凈、用、排”的六字方針，把雨水的滲透、滯留、集蓄、凈化、循環(huán)使用和排水密切結合，統(tǒng)籌考慮內澇防治、徑流污染控制、雨水資源化利用和水生態(tài)修復等多個目標.因此，海綿城市建設規(guī)劃設計之前，需要對建設區(qū)域的不同地塊土壤滲透能力進行調查研究，對土壤滲透能力強的區(qū)域，優(yōu)先采用以“滲”為主的低影響開發(fā)(low impact development,LID)設施，對于土壤滲透能力弱的區(qū)域，可采用以“蓄”為主的LID設施.

土壤的滲透能力與土壤質地、容重和含水率等土壤特性密切相關[3-5]，黃俊達[6]通過研究土壤組成及土壤理化性質與水分調節(jié)的相關性，闡明土壤對海綿城市建設的影響.土壤的滲透能力還體現(xiàn)在土壤的下滲率.土壤下滲率的測定方法主要有人工模擬降雨法[7]、雙環(huán)法[8]和Guelph法[9]等，測定結果可用Horton模型、Kostiakov模型和蔣定生模型等來確定滲透系數(shù)，從而評價土壤的滲透能力[10].有研究表明，不同土壤類型試驗所得的參數(shù)均可應用于Horton模型，且在相對分級的基礎上，Horton模型模擬結果優(yōu)于Kostiakov模型[11].Horton方程對累積入滲量變化規(guī)律的驗證效果要優(yōu)于Philip公式[12],發(fā)現(xiàn)Horton模型是擬合砂石覆蓋與水分入滲關系的最佳模型[13],并且Horton模型較常用的Kostiakov模型更好地描述綠地土壤入滲特性[14].因此本研究采用Horton模型確定土壤的滲透系數(shù).

2015年4月，廈門列入全國16個首批“海綿城市”試點城市,海滄馬鑾灣片區(qū)為廈門試點建設區(qū)之一.結合試點區(qū)現(xiàn)狀，通過研究土壤特性和土壤下滲率，分析不同地塊、不同用地類型的土壤滲透能力，建立試點區(qū)下墊面下滲量數(shù)學模型，確定滲透系數(shù)，為指導試點區(qū)選擇適宜的LID技術措施及其組合技術措施和試點區(qū)海綿城市建設預測模型或評估模型提供基礎資料.

1 工程概況

1.1 工程研究方案

馬鑾灣試點區(qū)域北到馬鑾灣，南至翁角路，東至吳冠村，西至東孚北路，總面積約20 km2，其中水域面積4.5 km2，城市建成區(qū)6.4 km2，在建區(qū)9.1 km2.將試點區(qū)根據地形分為18個地塊，測定土壤特性和土壤下滲率.根據土壤特性和土壤下滲率綜合分析試點區(qū)不同用地類型的土壤滲透能力.

圖1 試點區(qū)檢測點分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of the distribution of detection points in the pilot zone

根據土地利用類型和下墊層土壤類型的不同，2015年9—11月試點區(qū)土壤特性測定時，選取25個檢測點，檢測土壤質地、顆粒粒徑分布、容重和含水率；2017年5—8月土壤下滲率測定時，選取19個檢測點.兩次布點有4個重合檢測點，共40個檢測點.各檢測點在試點區(qū)內的分布如圖1所示，各檢測點的用地類型分布如表1所示.

表1 檢測點不同用地類型分布Tab.1 Distribution of different land types for detection points

1.2 土壤特性和土壤下滲率的測定材料、儀器與方法

材料和儀器：61.8 mm×20 mm的環(huán)刀；購于奧豪斯儀器(常州)有限公司的AR224CN型電子天平；購于上海森信實驗儀器有限公司的DGG-9240A型電熱恒溫鼓風干燥箱；篩孔孔徑分別為20、10、5、3、2、1、0.5、0.25、0.1和0.075 mm的篩網；購于北京渠道科學器材有限公司的QT-IN12-W型雙環(huán)入滲儀.

關于土壤特性，采用感官測定法測定土壤質地；環(huán)刀法測定土壤容重，重量法測定含水率，篩析法測定土壤粒徑分布[15].同時采用雙環(huán)入滲法[8]測定土壤下滲率。

2 結果與討論

2.1 試點區(qū)不同用地類型土壤特性分析

試點區(qū)不同用地類型各檢測點不同深度(20～25 cm記為A，45～60 cm記為B)土壤樣品的容重、含水率、顆粒物粒徑分布和級配指標如表2所示.25個檢測點中，7-1-A/B為粉壤土，4-1和5-2-A/B為壤土，2-1、3-2、5-1-A/B、6-1、6-2、9-4-B和12-2為砂壤土，其它檢測點均為砂土；容重分布在0.86～2.45 g·cm-3之間；含水率分布在4.69%～19.61%之間.

表2 試點區(qū)土壤樣品特性、顆粒物粒徑分布和級配指標分布Tab.2 Distribution of soil sample characteristics,particle size and grain composition index in the pilot zone

注：Cu為不均勻系數(shù)；Cc為曲率系數(shù).

研究表明，土壤質地與其入滲能力呈對數(shù)遞減關系[3]，土壤滲透能力隨土壤組成中黏粒含量增多而減弱；累積入滲量與土壤容重呈負相關關系[4]；而含水率僅會影響初始下滲，對穩(wěn)滲無明顯影響[5].檢測點7-1-A為粉壤土，容重最大為2.45 g·cm-3，可初步判斷其土壤滲透能力較弱；7-1-B為粉壤土，8-2-A容重較大為2.25 g·cm-3，也可初步判斷其土壤滲透能力較弱.另外顆粒級配指標不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc可以反映土壤的滲透能力.滲透能力較弱有兩種情況：①Cu<5；②Cu>5，但Cc<1或Cc>3.從該角度分析，檢測點3-4、7-1-A、8-1-A、8-1-B、8-2-B、8-3、9-3-A、9-4-B、12-1、16-1滲透性能較弱.綜合土壤質地、容重和級配，試點區(qū)25個檢測點中3-4、7-1、8-1、8-2、8-3、9-3、9-4、12-1和16-1滲透能力較弱.

2.2 試點區(qū)不同用地類型土壤下滲率分析

用雙環(huán)入滲法測定試點區(qū)內19個檢測點的土壤下滲情況，測定結果用Horton模型來分析土壤的滲透能力.研究表明，當降雨使土壤達到飽和時，穩(wěn)定下滲率接近于土壤的滲透系數(shù)[16].不同檢測點土壤在不同時刻的下滲率表達式、初始下滲率、穩(wěn)定下滲率和滲透系數(shù)如表3所示.

表3 試點區(qū)土壤樣品滲透能力參數(shù)表Tab.3 Penetration capacity parameter of soil samples in the pilot zone

目前海綿城市建設過程中對于土壤的滲透系數(shù)還沒有確切要求.依據朱木蘭等[17]研究結果，LID綠化帶土壤的飽和滲透系數(shù)適宜范圍為3.47×10-4～1.00×10-3cm·s-1.檢測點2-4、6-1、6-4、7-1和18-1的滲透系數(shù)均小于1.00×10-4cm·s-1，滲透系數(shù)過小，土壤滲透能力較弱.檢測點2-5、3-5和11-1的滲透系數(shù)雖小于3.47× 10-4cm·s-1，但接近3.47×10-4cm·s-1；檢測點2-3、8-1、8-4和9-5的滲透系數(shù)雖大于1.00×10-3cm·s-1，但接近1.00×10-3cm·s-1，故其土壤滲透能力較強.

2.3 試點區(qū)已建成LID設施效果分析

對試點區(qū)兩種用地類型(公共設施用和工業(yè)區(qū))的兩種LID設施(雨水花園和生物滯留設施)效果進行分析.公共設施用地東方高爾夫球場1-1、霞陽小學3-5，工業(yè)區(qū)臺本公司9-5完成雨水花園改造；工業(yè)區(qū)后祥路8-1已完成生物滯留設施改造.改造后下滲系數(shù)分別為1.06×10-3、2.59×10-4、4.29×10-3和2.76×10-3cm·s-1，均接近適宜的滲透系數(shù)范圍3.47×10-4～ 1.00×10-3cm·s-1，適合下滲，改造效果好.

通過改造可實現(xiàn)雨水花園的匯聚、吸收和凈化來自屋頂或地面的雨水，并使之逐漸滲入土壤，涵養(yǎng)地下水和生物滯留設施通過可滲透植被滲透進入地下或靠重力流輸、收集送雨水的作用.

2.4 試點區(qū)土壤特性和下滲率的測定結果對比

結合先后兩次對3種用地類型4個檢測點(綠化區(qū)：長庚醫(yī)院6-1；工業(yè)區(qū)：新陽路(煙廠外)7-1和后祥露8-1；居住小區(qū)：廈門院子7-3)的土壤特性和土壤下滲率的測定，綜合分析這4個檢測點的滲透能力.

綠化區(qū)檢測點6-1的滲透能力由土壤特性測定結果為較強，而由土壤下滲率測定結果為較弱，這是因為該處土壤表面鋪設的草皮影響了下滲，使下滲變難.綠化區(qū)檢測點8-1的滲透能力由土壤特性測定結果為較弱，而由土壤下滲率測定結果為較強.這是因為8-1在土壤特性和土壤下滲率兩次測定時間間隔內建設了LID設施-生物滯留設施，改善土壤滲透能力.

工業(yè)區(qū)檢測點7-1兩次測定結果均顯示土壤下滲率較弱；居住小區(qū)檢測點7-3兩次測定結果均顯示土壤下滲率較強；這說明除去特殊情況外，土壤特性和土壤下滲率的測定結果具有共性，均可單獨作為土壤滲透能力的評判依據.

2.5 試點區(qū)不同用地類型的土壤滲透能力綜合分析

結合試點區(qū)檢測點實際情況分析，試點區(qū)不同用地類型級配和滲透系數(shù)占比如圖2所示.根據土壤組成中黏粒含量的多少、容重的大小、土壤粒徑分布及其級配指標和土壤下滲率綜合分析試點區(qū)不同用地類型的土壤滲透能力.按照不同用地類型，居住區(qū)3個監(jiān)測點滲透能力均較強；工業(yè)區(qū)9個監(jiān)測點中，8強1弱；城中村6個監(jiān)測點中，5強1弱；故該三類用地類型滲透能力較強.農林用地7個監(jiān)測點中，3強4弱.公共設施用地15個監(jiān)測點中，9強6弱，然而在9個滲透能力較強的監(jiān)測點中，2個已完成雨水花園改造，2個鋪設透水設施，還有3個在綠化區(qū)，故該用地類型土壤滲透能力有待考察.

整體來說，居住小區(qū)、工業(yè)區(qū)和城中村各檢測點土壤下滲率普遍較強，農林用地次之，公共設施用地最差.而實際上城中村是洪澇災害的易發(fā)點，這是因為雖然城中村土壤適宜下滲，但人口較多，土壤硬化面積較大，可供下滲的土壤面積較少.

圖2 試點區(qū)不同用地類型級配和滲透系數(shù)占比示意圖Fig.2 Schematic diagram of particle-size distribution and permeability coefficient of different land types in the pilot area

3 結語

1)綜合土壤特性和土壤下滲率的測定結果分析不同用地類型下的40個檢測點發(fā)現(xiàn)：整體來說，居住小區(qū)、工業(yè)區(qū)和城中村各檢測點土壤滲透能力普遍較強，農林用地次之，公共設施用地最差.但不同用地類型整體滲透能力分析還需結合實際匯水量、匯水面積和可滲透土壤面積綜合分析.

2)對試點區(qū)4個點位2種用地類型(公共設施用地和工業(yè)區(qū))的2種LID設施(雨水花園和生物滯留設施)效果進行分析顯示，公共設施用地東方高爾夫球場1-1、霞陽小學3-5，工業(yè)區(qū)臺本公司9-5完成雨水花園改造；工業(yè)區(qū)后祥路8-1完成生物滯留設施改造，改造效果好.故雨水花園適合修建于學校、停車場等面積較大地區(qū)；生物滯留設施適合應用在道路和居住小區(qū)綠化帶等面積較小、坡度較小的地區(qū).

3)對比土壤特性和土壤下滲率的測定結果發(fā)現(xiàn)，土壤特性和土壤下滲率的測定結果具有共性，均可單獨作為土壤滲透能力的評判依據.土壤特性測定時，土壤黏粒含量較多、容重較大、土壤級配不良，均導致土壤滲透能力較弱；土壤下滲率測定時，滲透系數(shù)過小，遠小于適宜的滲透系數(shù)范圍3.47×10-4～ 1.00×10-3cm·s-1的土壤滲透能力較弱.